Автореферат Корниенко М В Закономерности распределения токсичных элементов в почво-грунтах в связи с различными антропогенными источниками загрязнения на примере Донбасса

Факультет: Экологии и химической технологии
Кафедра полезных ископаемых и экологической геологии
Специальность: Экологическая геология
Тема выпускной работы:
Закономерности распределения токсичных элементов в почво-грунтах в связи с различными антропогенными источниками загрязнения на примере Донбасса
Руководитель: Выборов Сергей Герасимович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Актуальность темы
Известно, что токсичные элементы опасны для жизни и здоровья людей. Уровень их опасности определяется концентрацией и формой нахождения. В настоящее время существует нормативная база, определяющая предельно-допустимые концентрации для содержаний некоторых элементов в почвах. Природный характер распределения токсичных элементов в почве определяется фоновыми концентрациями. Существующие природные закономерности нарушаются, образуются техногенные аномалии, которые еще слабо изучены. Их необходимо изучать для определения степени опасности загрязнения почв территории, разграничения зон влияния отдельных источников загрязнения. Без решения этих важных вопросов нельзя разработать эффективные природоохранные мероприятия, направленные на защиту территорий от загрязнения токсичными элементами. С учетом того, что основным источником загрязнения почв является загрязненный выбросами атмосферный воздух, изучение закономерностей распределения токсичных элементов в почвах позволяет разобраться с условиями и направлениями миграции компонентов антропогенных выбросов.

Связь работы с научными программами, планами, темами
Работа выполняется для разработки и совершенствования методики мониторинга состояния почво-грунтов в зонах влияния предприятий и в условиях черты г. Донецка в тесном сотрудничестве с ПГП «Артемовская гидрогеологическая партия». Мониторинг почв г. Донецка включен в программу природоохранных мероприятий местного значения г. Донецка на 2008 и 2009 г.г.

                  Цель и задачи разработки исследования
      Целью работы является изучение закономерностей распределения токсичных элементов в почво-грунтах для оценки степени опасности, масштабов их загрязнения, определения и разграничения зон антропогенного влияния источников загрязнения.
      Идея работы. На основании изучения характера распределения токсичных элементов в почвах зон влияния различных источников антропогенного воздействия определить геохимическую направленность процессов загрязнения, провести сопоставление геохимических спектров аномалий и обосновать правомочность определения и разграничения зон их влияния.
      Задачи исследования:
- изучить природные и антропогенные факторы, влияющие на распределение токсичных элементов в почво-грунтах;
- изучить природные и антропогенные процессы миграции и локализации токсичных элементов в почво-грунтах;
- исследовать ландшафтно-геохимические условия территории;
- изучить концентрационную и ассоциативную зональность ореолов антропогенного загрязнения;
- сопоставить геохимические параметры ореолов загрязнения в связи с деятельностью разнородных антропогенных источников;
- вывести геохимическую формулу каждого объекта.
      Предметом исследования являются почво-грунты зон влияния различных источников антропогенного воздействия.
      К объектам исследования относятся зоны влияния Славянской, Луганской, Кураховской, Старобешевской, Зуевской ТЭС, ЗАО «ДМЗ», Ларинского полигона ТБО, Ларинского полигона ПСО, Илонакопителя Моспинского УПП, КП «Макеевский горводоканал», терриконов №1-7 Ветка и №1 ш.им. Горького.
      Методами исследования являются:
- комплексный анализ исходных данных;
- составление выборки для исследования структуры изучаемых объектов;
- статистическая обработка результатов анализов;
- исследование пространственных закономерностей (построение и интерпретация карт).

Научная новизна
Научная новизна заключается: в обобщении материала о состоянии почво-грунтов зон влияния различных источников загрязнения (региональных и локальных); в проведении сравнительного анализа ореолов загрязнения зон влияния различных источников загрязнения; в получении закономерностей позволяющих наметить региональную антропогенную зональность в распределении токсичных элементов в почво-грунтах.

Практическое значение полученных результатов
Состоит в оценке существующего состояния почво-грунтов зон влияния источников загрязнения, совершенствовании методики по определению, разграничению зон влияния источников загрязнения.

Апробация работы
По материалам исследований опубликованы тезисы докладов на ХХ Всеукраинскую научную конференцию аспирантов и студентов на темы: «Оценка влияния выбросов терриконов на качество почво-грунтов прилегающих территорий» и «Проблема утилизации твердых бытовых отходов в регионе».

Основное содержание работы
В первом и втором разделах магистерской работы приведена общая характеристика природных и антропогенных факторов и процессов миграции и локализации токсичных элементов в почвах. Антропогенные факторы связаны с характером источника загрязнения, его параметрами: интенсивности выбросов, высоты рассеивания вредных веществ, площади источника (рисунок 1). Этим фактором определяется также набор загрязняющих веществ, распределяющихся вокруг него в почвенном покрове.

Рисунок 1 - Антропогенный источник загрязнения окружающей среды. GIF-анимация, 10 кадров, зацикленное повторение, 12 кб.

На рисунке:
1 - Кислые газы (диоксид серы и оксид азота выбрасываются в атмосферу).
2 - Газы переносятся ветром.
3 - Газы растворяются и образуется кислотный дождь.
4 - Кислотные дожди уничтожают растительность, загрязняют реки и ручьи, и разрушают каменную кладку.

      Природные факторы определяются климатическими и ландшафтно-геохимическими условиями. Климатический фактор включает в себя: преобладающее направление и скорость ветра, количество и периодичность атмосферных осадков, температуру воздуха. Эти показатели влияют на миграционные свойства загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, поверхностным стоком при выпадении осадков. Ландшафтно-геохимический фактор влияет на миграцию, локализацию и последующее перераспределение веществ в основных типах ландшафтов территории. Основными характеристиками этого фактора являются: характер рельефа (водораздел, крутой или пологий склон, речная долина, балочное понижение и др.); геолого-структурные условия (в основном литология и состав пород приповерхностной подпочвенной части разреза); глубина залегания грунтовых вод (особенно на участках подтопления, заболачивания); характер растительного покрова; тип почв (минеральная часть, особенно гранулометрический состав, органическая часть, микробиологический состав, солесодержание).
      В третьем разделе описывается методика изучения закономерностей распределения токсичных элементов.
      Для Донбасса характерны высокие показатели регионального геохимического фона многих элементов в почво-грунтах. Это обусловлено деятельностью крупных региональных источников загрязнения - промышленных предприятий городов. При этом почвы являются аккумуляторами техногенных выбросов, как со стороны промышленных предприятий, так и со стороны других источников антропогенного загрязнения. Под действием различных факторов, например, кислотных дождей, постепенно многие из металлов образуют растворимые и высоко токсичные соединения, которые мигрируют дальше в биосферу в результате выщелачивания атмосферными осадками, потребления растениями, под воздействием эрозии и дефляции.
      Плотность сети наблюдения, ее параметры зависят от характера источника загрязнения (от его площади и от интенсивности и масштабности негативного воздействия).
      Для оконтуривания зон влияния площадных (полигоны отходов, промплощадки предприятий и т.д.) и точечных (преимущественно дымовые трубы, площадь рассеивания загрязняющих веществ со стороны которых, зависит от их высоты) источников загрязнения сеть опробования намечалась по системе радиальных профилей ориентированных по сторонам света и пересекающихся в центре источника загрязнения (ГОСТ 17.4.402-84; ГОСТ 17.4.3.01-83).
      Радиальная сеть позволяет оценить площадь зоны влияния, оконтурить ее границы и изучить внутреннее строение ореола загрязнения, то есть закономерности распределения загрязняющих веществ вокруг источника.
      Сгущение сети происходило по мере приближения к границам источников загрязнения.
Изучение ореолов воздействия со стороны накопителей отходов (полигоны ТБО и ПСО, илонакопитель, терриконы) производилось с удалением крайних точек на расстояние до 800 м.
      Изучение ореолов воздействия промпредприятий, где имеются значительные выбросы (металлургический завод, ТЭС) выполнялось с удалением крайних точек на расстояние до 10 км.
      Опробование почво-грунтов в пределах исследуемых площадок выполнялось методом "конверта", когда с участка размером 5?5м из пяти точек (по углам площадки и в ее середине) отбираются пять точечных проб. При этом из каждой точки отбирается частная проба весом 0,5 кг с глубины 0?20 см. Затем пять частных проб объединяются, перемешиваются, сокращаются методом квартования. В конечном итоге отбирается одна объединенная проба весом 1,0 кг.
      Пробы отбирались в полиэтиленовые пакеты и снабжались этикеткой установленного образца.
      Пробы отбирались специальным пробоотборником, изготовленным из плотного пластика.
      По окончанию отбора, пробы укладывались в ящики и направлялись в лаборатории.
      Химико-аналитические исследования проб почво-грунтов проведены в центральной лаборатории ГРГП « Донецкгеология» г. Артемовск.
      После доставки проб в лабораторию, они прошли подготовку к аналитическим исследованиям. Пробы почв раздробили. Для этого использовали щековые дробилки ДГШ 100х60 или пулевые мельницы. В дальнейшем пробы просеяли с применением набора сит диаметром      0,5-0,1 мм. Просеянную часть перетерли до состояния пудры (размер частиц 0,074 мм и менее) керамическими истирателями.
      Лабораторные методы определения загрязняющих веществ в почве должны отвечать требованиям НТД и обеспечивать определение концентраций компонентов на порядок ниже ПДК или на уровне фона. Методики определения загрязняющих веществ должны быть согласованы с контролирующими органами [ГОСТ 17.4.4.02-84.].
      Концентрации элементов определялись с применением химического анализа для следующих токсичных элементов: Cd, Cu, Ni, Hg, Pb, Zn, Mn, V, Cr, Co, As.
      Обработке подверглись 310 проб отобранных с 11 антропогенных источников загрязнения. Данные, полученные после анализа, были обработаны с помощью методов математической статистики с применением пакетов SPSS, MS Excel.
Итак, в первую очередь полученные данные полевых работ и лабораторных исследований систематизировались и проанализировались.
      Далее для оценки степени опасности загрязнения почво-грунтов по результатам химического анализа для каждой пробы был рассчитан суммарный показатель химического загрязнения (Zc) (формула 1):

где Кс - коэффициент концентрации элемента, равный отношению его содержания в конкретной пробе к фоновому содержанию (Кс = С / Сф) и n - количество проанализированных элементов в конкретной пробе. В расчет принимаются Кс элементов > 1.
Получив значения Zc, были сформированы 6 выборок со следующими показателями:

Zc < 4 - почвы считаются минимально загрязненными.
Zc 4 – 10 - почвы слабо загрязненные.
Zc 10 – 16 - почвы средне загрязненные.
Zc 16 – 32 - почвы являются сильно загрязненными.
Zc 32 – 128 - почвы очень сильно загрязненные.
Zc > 128 – почвы чрезвычайно загрязненны.

      Следующим этапом, в выборке с минимальным загрязнением почво-грунтов (Zc < 4), по каждому элементу были рассчитаны средние значения, которые в последующем были взяты за фоновые содержания для исследуемой территории.
      При геохимической оценке уровня загрязнения окружающей среды следует руководствоваться следующим положением: одной из главных характеристик геохимических аномалий является ее интенсивность, которая определяется степенью накопления загрязняющего вещества по сравнению с естественным фоном (региональным и местным).       Показателем уровня аномальности является коэффициент концентрации (Кс), который был рассчитан для каждого элемента входящего в каждую пробу всех 6 выборок.
      Затем по результатам рассчитанных Кс, по каждой выборке были посчитаны средние значения для каждого элемента. Полученные средние значения характеризуют среднестатистические геохимические параметры эпицентров аномальных зон и отражают их геохимический спектр.
      Далее была составлена новая выборка (из средних значений по каждому элементу для 5 выборок), рассчитаны коэффициенты корреляции.
Полученные коэффициенты корреляции были ранжированы по силе и характеру связи, значения коэффициентов корреляции были вынесены на карты и с учетом предварительной группировки проб по силе и характеру связи, были откартированы соответствующие зоны аномального ореола.
      По характеру установленной зональности были определены границы зон влияния исследуемых источников загрязнения.
      Четвертый раздел работы посвящен характеристике геохимических ландшафтов исследуемой территории. В процессе геолого-экологических маршрутов с использованием топопланов производилась типизация элементарных ландшафтов, определялись их границы. Под элементарным ландшафтом понимается участок с определенным типом рельефа, почвенного и растительного покрова, гидродинамического и гидрохимического режима. Совокупность (парагенетическая ассоциация) элементарных ландшафтов с однонаправленным характером миграции и близкими условиями локализации химических элементов составляют геохимический ландшафт.
      Пятый раздел выпускной работы посвящен изучению закономерностей распределения токсичных элементов в связи с изучаемыми источниками загрязнения.
      В шестом разделе раскрывается проблема разграничения зон влияния источников загрязнения. Всегда в процессе проведения работ по мониторингу или при оценке воздействия в зоне влияния какого-либо источника загрязнения почв возникает необходимость определить границы ореола загрязнения. На практике возникают гораздо более сложные ситуации, когда таким способом нельзя определить даже, связан ли аномальный ореол с источником загрязнения. В случае если большая часть аномальных ореолов значительно смещена относительно источника, или территория подвержена загрязнению со стороны двух и более источников и ореолы накладываются один на другой. В этих случаях определение зоны влияния конкретного источника весьма затруднено, а если не установлен источник, то нельзя определить степень и масштабы загрязнения почв с его стороны. Вся оценка параметров загрязнения при этом сводится к изучению существующего состояния почв в пределах зон влияния источников загрязнения без конкретной привязки аномальных ореолов к конкретному источнику, или эта привязка осуществляется по косвенным признакам (пространственной приуроченности, механизма возможного загрязнения, ландшафтно-геохимических условий). Недостоверные сведения о связи установленного ореола загрязнения с конкретным источников, может привести к разработке неэффективных, ненужных мероприятий по ликвидации или минимизации негативного воздействия. Это неэффективно растраченные средства.

                                         Выводы
      Впервые, на основе анализа закономерностей распределения токсичных элементов в почвах проведено сопоставление аномальных ореолов в связи с разнородными антропогенными источниками влияния, изучена ассоциативная зональность ореолов, определен геохимический спектр аномалий, позволяющий проводить идентификацию источников загрязнения, определять и разграничивать зоны их влияния.       Методически обоснованное решение этих задач позволяет достоверно оценить степень и масштабы негативного антропогенного воздействия на окружающую среду, своевременно и в нужном направлении принять решение о разработке и реализации необходимых природоохранных средств, обеспечивающих экологическую безопасность территории.
      Работа над магистерской диссертацией еще не закончена. Окончательные результаты будут представлены в декабре 2010 года.